基于AVR單片機的電子延期雷管設計

李紅月，劉 鋒，顏事龍

(1.安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南，232001；2.安徽理工大學化學工程學院，安徽 淮南，232001)

雷管是一種爆破工程的主要起爆器材，它的作用是引爆各種炸藥及導爆索、傳爆管，按點火方式的不同可分為火雷管和電雷管。自2008年6月以后，在中國范圍內已經停止生產、銷售和使用火雷管，積極推廣電雷管等安全性好的起爆器材。電子延期雷管是一種可以任意設定并準確實現延期發火時間的新型電雷管，其本質是采用一個芯片取代普通電雷管中的化學延期藥與電點火元件，不僅大大地提高了延時精度而且控制了通往點火頭的電源，從而最大限度地減少了因點火頭能量需求所引起的延時誤差。電子延期雷管分為3種類型：第1種是非電起爆非編程的電子雷管，該電子雷管用導爆管或低能導爆索等非電起爆器材起爆在工廠預先設定好延期時間的電子延期體[1-2]；第2種是電起爆非編程、在工廠預先設定好延期時間的電子雷管；第3種是電起爆可編程的電子延期雷管，延期時間在爆破現場按爆破員要求設定，并在現場對整個爆破系統起爆時序實施編程，該電子延期雷管能夠方便地組成簡單、先進的起爆網絡，延期精度高，使用安全可靠。本方案提供了一種基于 AVR單片機的電子延期雷管的設計。

1 雷管的結構

本方案設計的基于AVR單片機的電子延期雷管結構見圖1。

圖1 電子延期雷管結構圖Fig.1 Structure of the electronic delay detonator

2 控制電路硬件設計

2.1 控制電路設計

電子延期雷管采用一個控制電路板取代普通電雷管中的延期藥，大大提高了雷管的延期精度，通過合理設定起爆網絡中各個雷管的延期時間能大大降低爆破震動的危害[1]，而且通過控制電路的硬件設計，提高了電雷管的抗干擾能力。

本方案設計的控制電路框圖如圖2所示。

圖2 電子雷管控制電路板框圖Fig.2 Diagram of electronic detonator control circuit board

智能控制電路主要由以下8部分組成：AVR單片機組成的智能控制單元、電源管理電路、充電控制及充電電路、整流電路、通信接口電路、安全放電電路、檢測變換電路、發火控制電路。電子延期雷管通過通信網絡可以和起爆裝置進行信息交流，接收起爆裝置發送的控制命令并根據命令做出相應的反應。如果接收起爆裝置發送過來的電子雷管的ID與儲存在存儲單元本身的ID相同，則開始接收起爆裝置發送的充電命令、檢測命令、設置延時時間、點火命令等，并做出相應的反應。

2.2 AVR單片機特點

本設計中要求智能控制單元能安全可靠地工作，如在接收到控制命令后能快速做出正確反應，同時要求內部資源豐富，如要求上電自動復位、串行通信接口、片內集成多種頻率的RC振蕩器可選、ADC轉換等功能，這樣外圍電路比較簡單，系統運行將更加穩定可靠[3-4]。在滿足上述條件的同時，要求單片機的價格低廉，以控制電子雷管的價格[3]。這樣，才有可能設計出性價比比較高的電子延期雷管，并能將該電子延期雷管投入大規模生產，以應用到更廣闊的領域。

設計中選用的AVR單片機可以滿足以上要求，該單片機采用哈佛結構，精簡指令集，執行速度快，片內集成有本設計要求的功能電路，內部資源豐富，自帶 RTC，E2PROM，UART，PWM， SPI，ISP，AD，Analog Comparator等，性價比高[4-5]。

2.3 控制電路功能實現

控制電路各個功能模塊功能的實現是通過接收起爆裝置相應的控制命令，之后智能控制單元通過各功能模塊做出相應的反應。如要對某電子延期雷管進行點火：該電子延期雷管的智能控制單元接收到點火控制命令后，經過系統設定的延時時間后在智能控制單元相應的管腳輸出控制信號，使點火控制電路中的電子開關處在閉合狀態，控制電路芯片外的儲能裝置儲存的能量通過橋絲向點火藥頭釋放能量，達到起爆該電子延期雷管的目的。

3 軟件流程設計

本方案設計的電子延期雷管的軟件通信流程如圖3所示。

4 安全性分析

在基于AVR單片機的電子延期雷管設計中，使用了多種安全技術。如ID比較、密碼技術、控制電路板采用的抗干擾技術、系統檢測、安全放電電路的設置等[6-8]。因此，安全性能高。

圖3 控制芯片軟件流程圖Fig.3 Flow chart of the communication software

4.1 軟件采用的安全技術

起爆裝置首先以廣播的形式向各個電子延期雷管發送ID編碼，各個電子延期雷管將接收到的ID編碼與固化在本身的ID編碼比較，相符后，表明起爆裝置選中該雷管，接著才能向該電子延期雷管發送各種控制命令；起爆裝置可在線檢測起爆網絡中各個電子延期雷管的當前工作狀態，如充電情況、延期時間的設置等要及時回送給起爆裝置，以供起爆裝置對各個電子延期雷管實施在線監測，若檢測沒有通過則需要排除故障；同時起爆裝置設有管理人員門禁，只有被授權的人員才能對該系統進行操作和控制，這些軟件技術提高了電子延期雷管使用的安全可靠性[6]。

4.2 硬件控制電路采用的安全技術

基于AVR單片機的電子延期雷管的控制電路使用了良好的抵抗干擾技術?？刂齐娐钒宀捎酶綦x電路，使得工程爆破網路系統中常見的靜電、雜散電流等干擾不能直接作用于雷管的點火元件，提高了電子延期雷管的本質安全性[2，8]。同時，在電子雷管的硬件控制電路中設計了安全放電回路，當電子延期雷管接收到發火控制命令并經過系統設計的延時時間t后而沒有發火，AVR單片機檢測到信號后，在經過時間t2后向安全放電控制回路發出控制信號，將儲能裝置儲存的能量通過安全放電電路消耗掉，消除了丟炮后續處理工作的危險。

5 試驗結果及結論

在試驗場地進行了4組經過檢測的電子雷管起爆測試。試驗結果如表1所示。

表1 不同組別組成起爆網絡的測試結果Tab.1 Test result of different groups detonator network

試驗結果表明，該方案設計的電子延期雷管的可編程延期范圍達到0～12 000ms，編程增量可以根據工程需要在線設定，雷管延期時間長且誤差小。總之，電子延期雷管代表了工程爆破向數字化發展的一個方向，值得在振動控制要求嚴格、起爆段間時差要求精確、起爆時間長[8]等環境下的工程爆破中推廣使用。

[1]高銘,李勇,滕威.電子雷管及其起爆系統評述[J].煤礦爆破,2006(3):23-26.

[2]Douglas A.Bartley,等.電子雷管技術的現場進一步應用[J].國際爆破與破碎,2003(7):93-96.

[3]王苗苗.嵌入式系統設計與實例開發[M].北京:清華大學出版社,2002.

[4]丁化成,耿德根,李君凱.AVR 單片機應用設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.

[5]韓志軍.單片機系統設計與應用實例[M].北京:機械工業出版社,2010.

[6]張鳳登.現場總線技術與應用[M].北京:科學出版社,2008.

[7]聶煜,莫元玲,陳輝俊.RS-485總線在新型電子雷管組網中的應用[J].現代機械,2006(5):39-41.

[8]顏景龍.銥缽起爆系統的安全性分析與試驗[J].工程爆破,2008,14 (2):70-72.